DE10206708B4

DE10206708B4 - Mikrokanalsystem

Info

Publication number: DE10206708B4
Application number: DE2002106708
Authority: DE
Inventors: Holger Dr. Klos
Original assignee: P21 - POWER FOR 21ST CENTURY GmbH; P21 Power for the 21st Century GmbH
Current assignee: P21 - POWER FOR 21ST CENTURY GmbH; P21 Power for the 21st Century GmbH
Priority date: 2002-02-18
Filing date: 2002-02-18
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2022-02-19
Also published as: DE10206708A1

Abstract

Mikrokanalsystem (1) zum Durchgeleiten eines Fluids, aufweisend parallel zueinander angeordnete Kanäle (3, 4) zur Durchleitung eines zu beinflussenden Fluids, die jeweils eine Querschnittsfläche aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Mehrzahl von Kanälen (3) eine Standardquerschnittsfläche aufweist, bei der das Fluid den Kanal dann durchfließt, wenn sich eine mit einer Einflußgröße korrelierte, fließbezogene Eigenschaft des Fluids innerhalb eines ersten Wertebereichs befindet;
dass eine zweite Mehrzahl von weiteren Kanälen (4) zueinander gestaffelte Querschnittsflächen aufweist, bei denen das Fluid jeden der weiteren Kanäle (4) jeweils dann durchfließt, wenn sich die fließbezogene Eigenschaft des Fluids innerhalb eines für den jeweiligen Kanal spezifischen zweiten Wertebereichs befindet, wobei die Querschnittsflächen dieser Kanäle (4) größer sind als die Standardquerschnittsflächen der Kanäle (3),
wobei die zweiten Wertebereiche nicht mit dem ersten Wertebereich übereinstimmen und zueinander gestaffelt sind, so daß das Mikrokanalsystem (1) über einen größeren Gesamtwertebereich als den ersten Wertebereich ein Durchleiten des Fluids ermöglicht, und...

Description

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Mikrokanalsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gerichtet, in dem eine Mehrzahl von beispielsweise in Mikrostrukturtechnik gefertigter, parallel zueinander angeordneter Kanäle der Durchfleitung eines zu beeinflussenden Fluids dienen.

Durchflußreaktoren werden in verschiedenen Bereichen von Technik und Forschung eingesetzt. Reaktoren werden beispielsweise im Gebiet der Chemie und der Biotechnologie zur gezielten Durchführung von Reaktionen eingesetzt, aber ebenfalls in physikalischen Anwendungen wie Zustandswechseln (z.B. zum Verdampfen oder Kondensieren, oder zum Mischen von Fluiden), oder zum Abkühlen und Erwärmen. Es gibt sie in verschiedenen Bauformen und Anwendungen. Eine häufig verwendete Bauform besteht aus einer Reihe von Schichten, in denen jeweils eine Mehrzahl von Kanälen angeordnet sind, welche von den zu beeinflussenden Fluiden durchflossen werden. Auf diese Weise erhält man einen Durchflussreaktor, bei dem Substanzen in die Kanäle eingeleitet werden, in den Kanälen bearbeitet werden und am Ende der Kanäle in bearbeitetem Zustand entnommen werden können. Häufig werden derartige Reaktoren in Mikrostrukturtechnik hergestellt, beispielsweise unter Verwendung von Techniken, die aus der Halbleiterherstellung adaptiert worden sind, etwa Ätzverfahren und dergleichen, und die der Ausbildung der Reaktorstrukturen wie beispielsweise der Kanäle dienen. Auf diese Weise lassen sich einfach sogenannte Mikroreaktoren herstellen, die bei besonders kleinen Abmessungen die Bearbeitung kleiner Substanzmengen ermöglichen. Diese Reaktoren können auf kleinstem Raum eine große Anzahl von Mikrokanälen aufweisen, deren Breite und Höhe jeweils nur im Submillimeterbereich liegt. Solche Reaktoren bestehen beispielsweise aus einer Schichtfolge einzelner Schichten respektive Platten, wobei die einzelnen Schichten jeweils eine Anzahl von Mikrokanälen aufweisen.

Reaktoren können auch als Wärmetauscher eingesetzt werden, um beispielsweise Flüssigkeiten wie Öle oder Wasser zu erhitzen oder abzukühlen bzw. ganz allgemein in einem wünschenswerten Temperaturbereich zu halten. Die Schichten sind bei solchen Wärmetauschern beispielsweise so angeordnet, daß die Mikrokanäle jeweils benachbarter Schichten in Kreuzstrombauweise ausgerichtet sind. Durch den einen Teil der Schichten, beziehungsweise deren Kanäle, strömt das zu temperierende Fluid, auf das oder von dem Wärme übertragen werden soll, während durch die Kanäle der jeweils benachbarten Schichten ein Heiz- oder Kühlmedium fließt. Andere Bauarten sind allerdings ebenfalls bekannt.

In der DE 199 20 161 A1 beispielsweise ist ein Mikrobauteil mit Strömungskanälen offenbart. Alle Strömungskanäle weisen jeweils die gleiche Querschnittsfläche auf. In der zur vorliegenden Patentanmeldung nachveröffentlichten DE 101 06 952 A1 ist ein Chip-Reaktor mit Strömungskanälen beschrieben, die generell eine unterschiedliche Länge und gegebenenfalls auch eine unterschiedliche Breite aufweisen können.

Da die durch einen Reaktor durchgeleiteten Fluide ganz allgemein Änderungen ihrer physikalischen oder chemischen Beschaffenheit erfahren, kann es häufig vorkommen, daß sich ihre fließbezogenen Eigenschaften, wie Viskosität, ein Anteil an Festpartikeln oder auch die Zustandsform, im Verlauf des Durchgangs durch die Kanäle ändert und damit eine Behinderung des Durchflusses auftritt. Bedeutend kann ebenfalls eine Schwankung bezüglich der fließbezogenen Eigenschaften bereits vor dem Eintritt in den Mikrokanalreaktor sein, so daß ein Durchfluss auch von daher behindert werden kann. Als typisches Beispiel hierfür sei ein in Mikrostrukturtechnik ausgelegter Kühler für Öle wie Motor- oder Getriebeöle genannt. Ein solcher Kühler muß unter unterschiedlichsten Bedingungen arbeiten können. Bei großer Kälte ist das Öl selbst so zähflüssig, daß es den Kühler praktisch nicht durchfließen kann. Eine Vorwärmung zum schnelleren Erreichen eine betriebsoptimalen Temperaturzustands des Systems, das mit dem Öl geschmiert werden kann, mithilfe des Mikroreaktors ist damit nicht möglich. Auch kann selbst das erwärmte Öl den Reaktor mangels Durchfluss nicht auf eine Temperatur bringen, die diesem erlauben würde, das noch im Kühler selbst befindliche kalte Öl zu erwärmen.

Derzeit wird bei herkömmlichen Kühlsystemen im Kraftfahrzeugbau mit ventilgesteuerten Bypass-Systemen gearbeitet, welche unterhalb einer bestimmten Temperatur die Öle am Kühler vorbei leiten, und bei Erreichen der Temperatur durch Umschalten eines Ventils ein Durchströmen des Kühlers ermöglichen. Eine solche Anordnung lässt sich jedoch in Mikrostrukturtechnik nicht realisieren, da die notwendigen Strukturen für einen Bypass nicht einfach herstellbar sind.

Auch auf anderen technischen Gebieten gibt es einen Bedarf an entsprechend flexiblen Mikrokanalsystemen, beispielsweise auf dem Gebiet der chemischen Produktion. So können Substanzen, die in einem Mikroreaktor einem Umwandlungsprozess unterworfen werden, beispielsweise durch Ausflockung ihre Fließeigenschaften so verändern, daß ein Durchtritt zumindest vorübergehend nicht mehr möglich ist. In diesem Fall kann es wünschenswert sein, den Durchfluss durch den Mikroreaktor zumindest teilweise zu erhalten.

Es besteht daher auf dem Gebiet der Mikrostrukturtechnikreaktoren die Aufgabe, einen Reaktor bereitzustellen, der bei verschiedenen Zuständen der durchgeleiteten Fluide seine Funktionsfähigkeit hinsichtlich der Durchleitbarkeit der Fluide und ihrer Beeinflussung im Reaktor möglichst aufrechterhält.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Bereitstellung eines Mikrokanalsystems mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. Aspekte und Details sind in der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung offenbart.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, ein Mikrokanalsystem bereitzustellen, bei dem verschiedene Kanäle ein unterschiedliches Verhalten gegenüber einem durchzuleitenden Fluid zeigen, und dieses Verhalten bei den verschiedenen Kanälen so zu staffeln, daß ein Durchfließen durch das Mikrokanalsystem unter möglichst vielen Betriebsbedingungen ermöglicht wird.

Die Erfindung ist daher gerichtet auf ein Mikrokanalsystem zum Durchgeleiten eines Fluids, welches aufweist parallel zueinander angeordnete Kanäle zur Durchleitung eines Fluids, die jeweils eine Querschnittsfläche aufweisen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß eine erste Mehrzahl von Kanälen eine Standardquerschnittsfläche aufweist, bei der das Fluid den Kanal dann durchfließt, wenn sich eine mit einer Einflußgröße korrelierte, fließbezogene Eigenschaft des Fluids innerhalb eines ersten Wertebereichs befindet; daß eine zweite Mehrzahl von weiteren Kanälen zueinander gestaffelte Querschnittsflächen aufweist, bei denen das Fluid jeden der weiteren Kanäle jeweils dann durchfließt, wenn sich die fließbezogene Eigenschaft des Fluids innerhalb eines für den jeweiligen Kanal spezifischen, weiteren Wertebereichs befindet, wobei die Querschnittflächen dieser Kanäle größer sind als die Standardquerschnittsflächen der ersten Kanäle, wobei die zweiten Wertebereiche nicht mit dem ersten Wertebereich übereinstimmen und zueinander gestaffelt sind, so daß das Mikrokanalsystem über einen größeren Gesamtwertebereich als den ersten Wertebereich ein Durchleiten des Fluids ermöglicht, und daß die zweite Mehrzahl von Kanälen im Randbereich des Mikrokanalsystems vorgesehen ist.

Unter einem Mikrokanalsystem ist dabei eine Anordnung von in Mikrostrukturtechnik oder einer vergleichbaren Technik hergestellten Kanälen zum Durchleiten von Fluiden zu verstehen.

Wie aus dem Stand der Technik bekannt, hat jeder Kanal ein Ende (Eingang), durch das das Fluid eingeleitet wird (beispielsweise mittels einer einen Überdruck erzeugenden Pumpe), und ein Ende (Ausgang), durch welches das Fluid wieder aus dem Kanal austritt.

Zwei charakteristische Merkmale eines Kanals, die seine Eigenschaften bezüglich des Durchleitens eines Fluids mit bestimmen, sind die Querschnittsfläche und die Länge des Kanals. Die Querschnittsfläche eines Kanals ist dabei die Fläche eines Anschnitts durch den Kanal quer zur Flußrichtung des ihn durchströmenden Fluids. Bei Kanälen mit nichtkonstantem Durchmesser kann die Querschnittsfläche beispielsweise an der engsten Stelle genommen werden oder sich als Durchschnitt einer Mehrzahl von Querschnittsflächen an verschiedenen Stellen des Kanals ergeben. Die Länge eines Kanals definiert sich als die Strecke zwischen seinem Eingang und seinem Ausgang.

Beide Größen können einen Einfluß auf die Durchgängigkeit des Kanals haben. Bei engeren Kanälen kann bei verschlechterten Fließeigenschaften eine Interaktion mit der Kanalwandung den Fluß ebenso behindern bzw. bremsen, wie dies bei zu großer Kanallänge durch die Summation der hemmenden Wirkung der Gesamtwandung der Fall sein kann. Andererseits können gerade engere oder längere Kanäle für den eigentlichen Zweck und Einsatz eines Mikrokanalsystems von großer Wichtigkeit sein.

Unter einer fließbezogenen Eigenschaft sind alle solchen physikalischen Eigenschaften zu verstehen, welche die Fließfähigkeit eines Fluids in den Kanälen bestimmen. Diese Eigenschaften sind keine unveränderlichen Fluid-immanenten Eigenschaften, sondern unterliegen vielmehr einer Änderungsmöglichkeit durch eine externe Einflußgröße.

Ein Fluid schließlich ist, wie allgemein bekannt, eine Flüssigkeit oder ein Gas.

Erfindungsgemäß besteht das Mikrokanalsystem aus einer Reihe von Kanälen zum Durchleiten des Fluids, die sich in zwei Gruppen einteilen lassen. Zum einen sind dies eine erste Mehrzahl von Kanälen, welche eine Standardquerschnittsfläche aufweisen, und die vorzugsweise dem Durchfluss und der Beeinflussung des Medium in einem "normalen" Betriebszustand des Mikrokanalsystems und/oder des Fluids dienen. Das Fluid bewegt sich bezüglich seiner fließbezogenen Eigenschaften damit in einem ersten, "normalen" Wertebereich.

Darüber hinaus gibt es eine zweite Gruppe von Kanälen, die in ihrer Querschnittsfläche von denen der ersten Gruppe abweichen, und die ein Durchleiten des Fluids bei anderen als normalen Betriebszuständen, d. h. bei anderen Wertebereichen als dem ersten Wertebereich, erlauben und somit einen Betrieb über einen großen Bereich der fließbezogenen Eigenschaften ermöglicht.

Die zweite Gruppe von Kanälen hat erfindungsgemäß gestaffelte Wertebereiche. Hierunter ist zu verstehen, daß die von den einzelnen Kanälen abgedeckten Wertebereiche zumindest in einer ihrer Grenzwerte zueinander versetzt sind, und in einem vorgegebenen Verhältnis zueinander stehen.

Die Zahl der Kanäle muß so bemessen sein, daß bei Vorliegen des ersten Wertebereichs ein effektives Beeinflussen des Fluids, beispielsweise eine Kühlung, möglich sein kann. Eine solche kann durch die anderen, gestaffelten Kanäle nicht unbedingt sichergestellt werden, da diese nicht speziell für den jeweiligen Zweck ausgelegt sind, sondern die Aufgabe des Durchleitens hauptsächlich während anderer Betriebszustände übernehmen. Das Bemessen der Kanäle sollte daher so erfolgen, daß bei Vorliegen von Fluid im ersten Wertebereich der Anteil des Fluiddurchflusses durch die Nichtstandardkanäle nur so groß ist, daß keine Funktionsbeeinträchtigung des Mikrokanalsystems in seiner Gesamtheit bezüglich der Aufgabenstellung erfolgt. Andererseits muß die Zahl der gestaffelten Kanäle so groß sein, daß auch unter anderen Betriebsbedingungen zumindest eine eingeschränkte Funktion des Mikrokanalsystems aufrechterhalten werden kann.

Das Abwägen der Zahl der Kanäle mit Standardmaß und der gestaffelten Kanäle hängt ebenso vom Einsatzzweck wie den zu erwartenden Betriebsbedingungen ab und kann daher im Rahmen dieser Erfindung nicht erschöpfend behandelt werden.

Auch die konkrete Ausgestaltung der Kanallängen oder -qerschnittsflächen obliegt dem Fachmann auf dem jeweiligen Anwendungsgebiet der Erfindung.

Wie erwähnt, ist vorzugsweise der erste Wertebereich so gewählt, daß das Fluid die erste Mehrzahl von Kanälen unter zu erwartenden, normalen Betriebsbedingungen des Mikrokanalsystems durchfließt. Unter einer normalen Betriebsbedingung ist hierbei eine solche zu verstehen, in der sich das System bei seinem Betrieb die meiste Zeit befindet.

Die Wertebereiche sind vorzugsweise so gestaffelt, daß sie einen gemeinsamen Grenzwert und/oder einen überlappenden Werteteilbereich aufweisen. Auf diese Weise kann erreicht werden, daß zumindest zu bestimmten Fließzuständen alle Kanäle verwendet werden können, um den Durchfluss insgesamt zu maximieren.

Es kann bei bestimmten Ausführungsformen allerdings auch vorstellbar sein, die Wertebereiche so zu staffeln, daß beispielsweise in einem normalen Betriebszustand des Mikrokanalsystems nicht mehr alle gestaffelten Kanäle der zweiten Gruppe verwendet werden, um dadurch den Durchtritt des Fluids auf die Standardkanäle zu konzentrieren.

Wenn die gestaffelten Wertebereiche und der Standardwertebereich einen gemeinsamen Grenzwert aufweisen, so kann die Erfindung weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, daß der gemeinsame Grenzwert so gewählt ist, daß das Fluid alle Kanäle unter zu erwartenden, normalen Betriebsbedingungen des Mikrokanalsystems durchfließt.

Erfindungsgemäß soll eine Staffelung der Querschnittsflächen vorgenommen werden, um den Gesamtwertebereich der fließbezogenen Eigenschaft, bei der Fluid das Mikrokanalsystem durchströmen kann, auszuweiten. Um die Staffelung zu bestimmen, können die Verhältniszahlen der gestaffelten Kanäle in Relation zu dem Standardkanal verwendet werden. Die Staffelung kann dabei gemäß bestimmten mathematischen Funktionen vorgenommen werden. So können die Querschnittsflächen der Kanäle in einem linearen oder einem exponentiellen Verhältnis zueinander stehen. Auch andere mathematische Verhältnisberechnungsverfahren sind jedoch vorstellbar und sollen explizit von der Erfindung miterfasst werden.

Wird zur Ausgestaltung der Kanäle die Querschnittsfläche variiert, so können die Kanäle sich in ihrer Breite unterscheiden. Die Kanäle können sich auch in ihrer Höhe unterscheiden, wobei beide Varianten auch kombiniert werden können. Fertigungstechnisch einfacher ist in den meisten Fällen eine Variation der Kanalbreiten, da von einheitlichen Platten ausgegangen wird und beispielsweise bei einem einfachen Ätzverfahren in die Oberfläche hinein Kanäle einheitlicher Höhe entstehen.

Wie oben erläutert, tritt das Problem, das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, insbesondere bei Kanälen auf, die Bestandteile von in Mikrostrukturtechnik gefertigten Bauteilen sind. Von der Erfindung werden jedoch verschiedene Techniken erfasst, die in der Lage sind, entsprechende Kanalstrukturen herzustellen. Allerdings wird es insbesondere bevorzugt, daß das erfindungsgemäße Mikrokanalsystem tatsächlich in Mikrostrukturtechnik gefertigt ist.

Das gesamte Mikrokanalsystem kann, auch wenn in Mikrostrukturtechnik hergestellt, mehr als eine Kanalplatte enthalten. So wird es insbesondere bevorzugt, daß es mehrere in Mikrostrukturtechnik gefertigte Lagen von Kanalträgern mit Kanälen aufweist. Diese können beispielsweise unmittelbar aufeinander laminiert sein, so daß die Rückseite der Platten jeweils zugleich als Deckel der Kanäle der auf der entsprechenden Seite benachbarten Platten dienen. Auch können alle Lagen mit eigenen Deckelelementen versehen und dann als Ganzes miteinander laminiert sein.

Das erfindungsgemäße Mikrokanalsystem ist grundsätzlich geeignet, die im Zusammenhang mit beliebigen fließbezogenen Eigenschaften auftretenden Durchflussprobleme zu lösen. Insbesondere kann die fließbezogene Eigenschaft die Viskosität des Fluids oder ein Anteil an Festpartikeln im Fluid sein. Beide Eigenschaften beeinflussen die Fließfähigkeit. Weitere vorstellbare Eigenschaften sind eine sich im Laufe des Durchtritts durch den Kanal durch eine dort initiierte chemische Rektion ändernde chemische Zusammensetzung des Fluids oder Phasenwechsel, die den freien Durchtritt erschweren können.

Die Einflußgröße, welche die fließbezogene Eigenschaft (mit-) bestimmt, kann beispielsweise die Temperatur oder ein auf das Fluid einwirkender Druck sein, die z. B. die Viskosität des Fluids beeinflussen können. Die Einflußgröße kann auch eine chemische Umwandlung des Fluids sein, die dessen Eigenschaften ändert.

Davon zu unterscheiden ist die auf das Fluid wirkende Beeinflussung, die bei gattungsgemäßen Mikroreaktoren ein prinzipieller Aspekt ist, der die Kernfunktion solcher Reaktoren darstellt. Diese wird in vielen Fällen mit der Einflußgröße identisch sein, ist jedoch prinzipiell von ihr zu unterscheiden. So kann die Beeinflussung in einer Temperaturänderung des Fluids bestehen, die häufig, beispielsweise über die Viskosität, auch als Einflußgröße wirksam ist. Ein Gegenbeispiel könnte in einer katalytischen Beeinflussung des Fluids durch eine Beschichtung der Kanalwände gesehen werden, das aufgrund der einsetzenden Reaktion eine Temperaturveränderung erfährt, welche wiederum die Viskosität ändert.

Die Beeinflussung kann also beispielsweise auch im Initiieren einer chemischen Reaktion im Fluid bestehen.

In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist das Fluid eine Flüssigkeit, beispielsweise ein Öl mit temperaturabhängiger Viskosität.

Es wird insbesondere bevorzugt, daß das Mikrokanalsystem ein Ölkühler ist, beispielsweise ein Ölkühler für Getriebeöl oder für andere Öle wie Motorenöl oder Turbinenöl.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand konkreterer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird, in der folgendes dargestellt ist:
1 zeigt im Querschnitt ein einschichtiges Mikrokanalsystem gemäß der Erfindung ohne Abdeckung der Kanäle;
2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Mikrokanalsystems gemäß der vorliegenden Erfindung mit Kanälen variabler Höhe;
3 zeigt einen mehrschichtigen Plattenaufbau, der ein erfindungsgemäßes Mikrokanalsystem darstellt und
4 zeigt beispielhaft relative Verhältnisse der Querschnittsflächen von Kanälen.
Die Erfindung ist auf ein Kanalsystem gerichtet, in dem eine Reihe von Kanälen ein Fluid, zumeist eine Flüssigkeit wie Öl, von einem Eingang zu einem Ausgang leiten können. Die Kanäle sind häufig parallel nebeneinander angeordnet, was dazu führt, daß Variationen in den Kanälen nur über deren Querschnittsfläche möglich sind. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, die Kanäle so anzuordnen, daß sie eine unterschiedliche Länge aufweisen, beispielsweise durch ein Mäandern der einzelnen oder zumindest bestimmter Kanäle.
Ein Beispiel für eine Staffelung der Querschnittsflächen zeigt 1, die eine Querschnittsdarstellung einer Platte mit Kanälen ist. Eine in Mikrostrukturtechnik angefertigte Platte 1 ist auf einem (optionalen) Untergrund 2 befestigt und weist eine Mehrzahl von Kanälen auf. Diese unterteilen sich in eine erste Gruppe von Standardkanälen 3 mit gleichen Querschnittsflächen und eine zweite Gruppe von Kanälen 4 mit gestaffelten Querschnittsflächen, welche in diesem Beispiel zum Rand der Platte hin immer größer werden. Die einzelnen Kanäle 3, 4 sind durch Stege 5 voneinander getrennt, während am Rand der Platte ein Rahmen 6 angeordnet ist, der beispielsweise der mechanischen Stabilisierung des Mikrokanalsystems dient. Die Darstellung der 1 zeigt nur einen Ausschnitt aus der Gesamtplatte, welche sich noch weiter nach rechts erstreckt und neben weiteren Standardkanälen 3 auch zumindest eine weitere, randständige Anordnung gestaffelter Kanäle 4 aufweisen kann. Auch in der Mitte kann die Platte eine weitere Anordnung gestaffelter Kanäle aufweisen, beispielsweise dann, wenn die Platte eine solche Breite aufweist, daß es ohne zwischengeschobene verbreiterte Kanäle beispielsweise bei bestimmten Betriebszuständen zu übermäßigen Druckunterschieden kommen würde.
2 zeigt ein weiteres Beispiel für eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Staffelung der Querschnittsflächen nicht durch Breitenvariation der Kanäle, sondern durch deren unterschiedliche Höhen realisiert werden. Gleiche Bezugszeichen sollen dabei gleiche Elemente der Erfindung benennen. Die in der Mitte der Platte 1 angeordneten Standardkanäle 3 sind von zwei Bereichen flankiert, in denen höhengestaffelte Kanäle 4 vorgesehen sind, beispielhaft durch jeweils drei Kanäle 4 repräsentiert. Durch entsprechende Markierungs- und Ätzschritte kann eine solche Platte in Mikrostrukturtechnik angefertigt werden. Ein Deckel 7 ist so ausgeformt, daß er in der Lage ist, durch seine Stufung die verschieden hohen Kanäle zu verschließen.
3 zeigt ein Mikrokanalsystem mit einer Anordnung aus mehreren Lagen von Kanälen, die jeweils in die Platten 1a, 1b, und 1c eingebracht sind, in einer perspektivischen Darstellung. Hier ist ersichtlich, daß eine Stapelung von kanaltragenden Platten in einfacher Weise möglich ist und den maximalen Durchfluss von Fluid durch das Mikrokanalsystem deutlich vergrößern kann. Auf der dem Betrachter zugewandten Seite schließen die Kanäle mit ersten Enden ab, in die ein Fluid eingeleitet werden kann (oder daraus ausgeleitet werden kann). Die anderen Enden der Kanäle sind nicht dargestellt.
Eine Realisierung unterschiedlich langer Kanäle kann beispielsweise neben dem oben erwähnten Mäandern auch dadurch erreicht werden, daß die Enden der Kanäle auf einer oder beiden Seiten des Systems schräg angeschnitten werden. Ein Verteiler bzw. Kollektor für das Fluid, der an den Enden angeschlossen wird, muß dementsprechend auch schräg angeschlossen werden, was aber keine sonderlichen Probleme aufwirft.
4 zeigt einen Graphen zur Erläuterung von konkreten Implementierungen von Verhältnissen der Querschnittsflächen der Kanäle (eine Betrachtung der Längen würde analog erfolgen). Während auf der X-Achse die beteiligten Kanäle vermerkt sind, mit n entsprechend einem der Standardkanäle, ist auf der Y-Achse die Querschnittsfläche A aufgetragen, in Relation zum Standardkanal n, dessen relative Querschnittsfläche mit 1 angesetzt wird. Der untere Verlauf entspricht einem linearen Verhältnis der verschiedenen, gestaffelten Kanäle, deren jeweilige, konkrete Flächen durch Punkte auf der gerade markiert sind. Der obere Verlauf repräsentiert einen exponentiellen oder einem solchen ähnlichen Verlauf, bei dem die Staffelung wesentlich größere Differenzen zwischen den einzelnen gestaffelten Kanälen und dem Standardkanal erhält. Weitere mögliche Verhältnisberechnungen sollen von der Erfindung ebenfalls miterfasst werden, die nicht auf die oben angegebenen linearen und exponentiellen Verhältniskalkulationen beschränkt ist.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein extrem flexibles Instrument zum Handhaben unterschiedlicher Fluids mit unterschiedlichen fließbezogenen Eigenschaften ermöglicht, das dem in Mikrostrukturtechnik hergestellten System einen optimierten Durchfluss und einen großen Einsatzbereich eröffnet. Insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik kann sich die Erfindung als Ölkühler hervorragend bewähren.

1: Mikrokanalsystem
1a: Platte eines Mikrokanalsystems
1b: Platte eines Mikrokanalsystems
1c: Platte eines Mikrokanalsystems
2: Untergrund
3: Standardkanäle
4: gestaffelte Kanäle
5: Steg
6: Rahmen
7: Deckel

Claims

Mikrokanalsystem (1) zum Durchgeleiten eines Fluids, aufweisend parallel zueinander angeordnete Kanäle (3, 4) zur Durchleitung eines zu beinflussenden Fluids, die jeweils eine Querschnittsfläche aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Mehrzahl von Kanälen (3) eine Standardquerschnittsfläche aufweist, bei der das Fluid den Kanal dann durchfließt, wenn sich eine mit einer Einflußgröße korrelierte, fließbezogene Eigenschaft des Fluids innerhalb eines ersten Wertebereichs befindet; dass eine zweite Mehrzahl von weiteren Kanälen (4) zueinander gestaffelte Querschnittsflächen aufweist, bei denen das Fluid jeden der weiteren Kanäle (4) jeweils dann durchfließt, wenn sich die fließbezogene Eigenschaft des Fluids innerhalb eines für den jeweiligen Kanal spezifischen zweiten Wertebereichs befindet, wobei die Querschnittsflächen dieser Kanäle (4) größer sind als die Standardquerschnittsflächen der Kanäle (3), wobei die zweiten Wertebereiche nicht mit dem ersten Wertebereich übereinstimmen und zueinander gestaffelt sind, so daß das Mikrokanalsystem (1) über einen größeren Gesamtwertebereich als den ersten Wertebereich ein Durchleiten des Fluids ermöglicht, und dass die zweite Mehrzahl von Kanälen (4) im Randbereich des Mikrokanalsystems (1) vorgesehen ist.
Mikrokanalsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wertebereich so gewählt ist, daß das Fluid die erste Mehrzahl von Kanälen (3) unter zu erwartenden, normalen Betriebsbedingungen des Mikrokanalsystems durchfließt.
Mikrokanalsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wertebereiche so gestaffelt sind, daß sie einen gemeinsamen Grenzwert und/oder einen überlappenden Werteteilbereich aufweisen.
Mikrokanalsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Grenzwert so gewählt ist, daß das Fluid alle Kanäle (3, 4) unter zu erwartenden, normalen Betriebsbedingungen des Mikrokanalsystems durchfließt.
Mikrokanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsflächen und/oder Längen der Kanäle (3, 4) in einem linearen Verhältnis zueinander stehen.
Mikrokanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsflächen und/oder Längen der Kanäle (3, 4) in einem exponentiellen Verhältnis zueinander stehen.
Mikrokanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (3, 4) sich in ihrer Breite unterscheiden.
Mikrokanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (3, 4) sich in ihrer Höhe unterscheiden.
Mikrokanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es in Mikrostrukturtechnik gefertigt ist.
Mikrokanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es aufweist mehrere in Mikrostrukturtechnik gefertigte Lagen von Kanalträgern mit Kanälen.
Mikrokanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die fließbezogene Eigenschaft die Viskosität des Fluids ist.
Mikrokanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die fließbezogene Eigenschaft ein Anteil an Festpartikeln im Fluid ist.
Mikrokanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einflußgröße die Temperatur, ein auf das Fluid einwirkender Druck oder eine chemische Umwandlung des Fluids ist.
Mikrokanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Beeinflussung in einer Temperaturänderung des Fluids oder im Initiieren einer chemischen Reaktion im Fluid besteht.
Mikrokanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid eine Flüssigkeit ist.
Mikrokanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikrokanalsystem (1) ein Ölkühler ist.
Mikrokanalsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Ölkühler ein Ölkühler für Getriebeöl ist.